BAB II ORIENTASI PABRIK DAN URAIAN PROSES
2.10. Unit Amonia
Unit amonia berfungsi untuk menghasilkan amonia dari bahan baku gas alam, udara, dan steam. Gas alam yang disuplai dari PT. Pertamina mengandung beberapa komponen yang dapat mengakibatkan gangguan selama proses berlangsung. Komponen tersebut diantaranya, heavy hydrocarbon, sulfur dan CO2. Udara disuplai oleh kompressor udara yang mengambil udara atmosfer dan disaring melalui suction compressor utama dengan filter udara sebagai penyaring debu dari udara atmosfer. Steam di unit amonia berasal dari pemanfaatan panas pembakaran serta panas reaksi yang dihasilkan di secondary reformer. Steam yang dihasilkan pada pabrik amonia adalah steam bertekanan tinggi dan medium.
Amonia yang dihasilkan nantinya digunakan sebagai bahan baku di unit urea dan sebagian lagi dijual ke pihak luar. Selain amonia, pabrik amonia juga menghasilkan CO2 sebagai hasil samping, yang juga digunakan di Unit Urea. PT..
Pupuk Sriwidjaja Palembang dalam memproduksi amonia menggunakan proses dari Kellog Overseas Corporation (AS). Tahap proses Unit Amonia P-IB adalah:
1) Pengolahan Gas Alam (Feed Treating) 2) Pembuatan Gas Sintesa
3) Pemurnian Gas Sintesa 4) Sintesa Amonia
5) Pendinginan Amonia (Amonia Refrigeration) 2.10.1. Feed Treating
Feed treatment merupakan proses pemisahan impuritis gas alam yang digunakan sebagai bahan baku dari pembuatan amonia. Gas alam diterima dari aliran pipa yang terhubung dengan Gas Metering System (GMS) yang berada di PUSRI II. Pada proses feed treatment, proses meliputi proses pemisahan partikel padat (filtration), pemisahan senyawa sulfur anorganik (desulfurisasi), pemisahan kandungan air (dehidrasi), pemisahan heavy hydrocarbon (HHC removal), pemisahan kandungan karbon dioksida (CO2 removal), dan pemisahan sulfur organik, sehingga gas alam siap ke tahap proses selanjutnya.
Gas alam yang diterima dari Pertagas Niaga, Medco Energy, dan Conoco Philips memiliki temperatur sekitar 2°C dan tekanan 15,1 kg/cm2 yang mula-mula dibagi dua, sekitar 60% untuk proses dan sisanya untuk fuel gas. Gas alam untuk
proses tersebut masih mengandung impuritis terutama belerang yang harus dihilangkan karena dapat menimbulkan keracunan pada katalisator di reforming unit dan impurities CO2 yang mengganggu proses sintesis di amonia converter.
Gas yang digunakan untuk proses mula-mula di dipisahkan partikel padatnya berupa kotoran padat dan cairan secara fisik oleh Filter Separator.
Kemudian dilakukan penghilangan kandungan sulfur dengan menggunakan ZnO.
Sulfur merupakan racun bagi katalis di Primary Reformer dan bersifat korosif. Lalu gas dihilangkan kandungan airmya di unit Glycol Absorber dengan menggunkan larutan Tri-Etylene Glicol (TEG) agar tidak menggangu proses berikutnya karena air dapat menyebabkan penyumbatan karena dapat membeku.
Gas yang telah dihilangkan kandungan airnya kemudian dipisahkan dari kandungan HHC dengan menggunakan chiller. Prinsip pemisahan HHC dengan gas alam adalah perbedaan titik embun dari masing-masing komponen. HHC dapat terdekomposisi menjadi karbon yang akan menutupi pori-pori katalis di unit Primary Reformer. Gas keluar dari Glycol Absorber dibagi dua aliran untuk didinginkan dengan gas alam bebas HHC dan HHC cair. Hal ini dilakukan untuk mengurangi penggunaan amonia cair. HHC mengembun pada suhu -18°C.
Gas tersebut lalu akan dihilangkan kandungan CO2 dengan menggunakan larutan Benfield di unit absorber. Hal ini karena CO2 dapat bereaksi dengan H2
yang membentuk metana di Desulfurizer. Hal ini akan menghambat reaksi di reformer dan menyebakan penurunan konversi. Selain itu CO2 adalah produk samping yang dapat diambil untuk bahan baku pembuatan urea. Gas kemudian dialirkan ke Desulfurizer yang merupakan tahap penghilangan Sulfur lanjutan, dimana Sulfur yang dipisahkan merupakan persenyawaan belerang organik RSH dan RSR. Sulfur organik bereaksi dengan gas H2 menjadi H2S dengan bantuan dari katalis CoMo yang kemudian H2S akan diikat oleh ZnO.
2.10.2. Syngas Reforming
Reformer adalah tahap dari unit amonia yang bertujuan untuk mengasilkan gas sintesis dengan mereaksikan hydrocarbon dengan steam. Hasil dari reaksi antara hydrocarbon dengan steam ini adalah gas H2 sebagai produk utama dan CO atau CO2 sebagai hasil samping. Feed gas sebelum masuk proses Reformer dikirim dahulu ke Saturator. Disini feed gas dijenuhkan dahulu dengan uap air dari process
condensate, dengan demikian konsumsi steam dapat dikurangi karena feed gas telah jenuh dengan uap air. Process condensate dikirim ke Process Condensate Treatment yang ada di unit utilitas. Process Condensate Stripper yang berfungsi menstripping Process Condensate sehingga gas yang terlarut dapat diambil kembali dan digabungkan dengan gas alam yang ke reformer, sementara kondensatnya dibersihkan di Condensate Polisher untuk dipakai kembali sebagai BFW.
2.10.3. Primary Reformer
Gas umpan keluaran dari saturator kemudian dikontakkan dengan steam.
Steam dan syngas akan bereaksi dan menghasilkan gas H2. Di dalam reformer terdapat katalis nikel yang berfungsi untuk mempercepat laju reaksi. Selain untuk mempercepat laju reaksi, katalis nikel juga berfungsi untuk membagi tekanan disetiap tube reformer sehingga aliran gas terbagi sama besar. Reaksi yang terjadi:
CH4 + H2O → CO+ 3H2 -Q (endotermis) CO + H2O → CO2 + H2 +Q (eksotermis) CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 -Q (endotermis)
Di dalam primary reformer terdapat 9 row yang masing-masing row berisi 42 tube. Di dalam primary reformer, syngas, dan steam direaksikan pada suhu 780-820°C. Sumber bahan bakar yang digunakan untuk pembakaran pada primary reformer berasal dari gas alam dan dari HHC yang didapatkan dari separator. Pada proses pembakaran didalam primary reformer, terdapat tiga bagian yang berperan yaitu tube sebagai wadah tempat mengalirnya feed yang bereaksi, cup sebagai sumber api untuk pembakaran dan riser yang berfungsi untuk mengalirkan gas yang sudah bereaksi menuju transfer line.
2.10.4. Secondary Reformer
Gas yang mengalami reforming sebagian di primary reformer masuk ke secondary reformer. Suhu masuk ke secondary reformer berkisar 800°C. Fungsi dari secondary reformer adalah mereaksikan kandungan syngas yang belum terkonversi pada primary reformer. Selain dialirkan syngas, pada secondary reformer dialirkan udara dari sekitar pabrik untuk mendapatkan N2.
Udara proses dan steam yang telah dipanaskan bertemu dengan aliran gas purge melewati chamber atas dari secondary reformer. Keadaan ini memberikan
pencampuran yang baik antara gas proses dan udara dimana terjadi pembakaran secara cepat dan membagi proses pembakaran ke seluruh permukaan katalis. Gas panas dari combustion section reformer mengalir ke bawah melalui katalis. Reaksi yang terjadi berlangsung pada suhu 900-1100°C dengan bantuan katalis nikel yang disangga oleh alumina, dan alumina disangga oleh batuan yang berbentuk lengkung dibagian atas outlet secondary reformer.
2.10.5. Syngas Purification
Gas keluaran dari secondary reformer terdiri dari H2, N2, CO, CO2, Ar, dan CH4. Gas yang diperlukan untuk sintesis amonia adalah H2 dan N2, sedangkan CO dan CO2 harus dihilangkan karena dua komponen ini meracuni katalis pada amonia converter. Oleh sebab itu kandungan CO dan CO2 dihilangkan dari syngas pada tahap purifikasi. Kandungan CO dan CO2 mempengaruhi kualitas produk.
1) High Temperature Shift Comverter (HTSC) dan Low Temperature Shift Comverter (LTSC)
Gas CO yang masih tersisa di aliran keluar Secondary Reformer harus diubah menjadi CO2, agar dapat diserap oleh larutan Benfield di CO2 Removal Main Benfield. Selain itu Shift Converter juga menambah produksi H2. Reaksi shift dilangsungkan dalam dua tahap yaitu pada temperatur tinggi di HTSC dan pada temperatur rendah di LTSC. Reaksi yang terjadi di HTSC maupun LTSC:
CO + H2O ↔ H2 + CO2 (eksoterm)
Syngas hasil dari reforming setelah diambil panasnya masuk ke HTSC.
Suhu syngas yang masuk pada bagian ini adalah 370°C dan suhu keluarannya adalah 430°C dengan bantuan katalis Fe2O3 gas CO akan dirubah menjadi CO2. Reaksi yang terjadi di HTSC berlangsung secara cepat akan tetapi menghasilkan konversi yang rendah. Setelah melewati bagian HTSC, kemudian syngas akan dialirkan menuju LTSC karena pada bagian HTSC masih ada kandungan CO belum terkonversi. Sebelum aliran gas outlet dari HTSC masuk ke LTSC, gas terlebih dahulu didinginkan oleh HE. Setelah melewati tiga cooler suhu dari syngas turun menjadi 205°C lalu dialirkan menuju LTSC. Temperatur pada LTSC harus dijaga dan diperhatikan agar tidak mendekati dew point campuran gas.
Pada bagian LTSC, kandungan gas CO yang tersisa pada syngas terkonversi seluruhnya menjadi CO2 menggunakan katalis ZnO. Penggunaan
temperatur tinggi dan temperatur rendah adalah reaksinya reversible dan eksotermis. Pada keadaan belum mencapai kesetimbangan (CO masih banyak) kenaikan temperatur mempercepat kinetika reaksi. Sementara keadaan kesetimbangan, temperatur diturunkan untuk mencapai konversi tinggi.
2) CO2 Removal Main Benfield
Proses pemisahan CO2 pada unit ini secara prinsip sama dengan proses pemisahan CO2 pada bagian feed treating, yaitu dengan menggunakan larutan benfield. Proses pemisahan CO2 dilakukan di absorber dan larutan benfield diregenerasi pada stripper. Perbedaan pada proses pemisahan CO2 unit ini dengan unit di feed treating adalah adanya flash tank yang dihubungkan dengan CO2
stripper. Flash tank melepaskan CO2 yang terlarut di dalam larutan benfield sehingga beban stripper berkurang. Reaksi kimia yang terjadi adalah:
CO2 (g) + H2O (l) → 2CO3 (l) H2CO3 (l) + K2CO3 (l) → 2KHCO3 (l)
Absorber main benfield beroperasi pada tekanan 26,3 kg/cm2 dan temperatur 70°C. Gas proses yang sudah dipisahkan kandungan CO2 nya naik ke atas dan keluar dari bagian atas CO2 absorber, sedangkan larutan benfield yang menyerap CO2 turun ke bawah CO2 absorber dan dikirim ke CO2 stripper. Di CO2
stripper, Benfield mengalami regenerasi dengan reboiler untuk menghasilkan temperatur sebesar 127°C. Tekanan operasi stripper sebesar ± 1,1 kg/cm2. Larutan benfield yang bersih dari kandungan CO2 kemudian disirkulasikan kembali dalam CO2 absorber. Gas sintesa memiliki kemurnian tinggi (kurang dari 10 ppm dari CO dan CO2). Gas CO2 yang berhasil di-stripping keluar dari puncak menara Stripper melalui CO2 Stripper Condenser dikirim ke pabrik urea.
3) Methanator
Fungsi methanator adalah untuk mengkonversi sisa CO dan CO2 (kurang dari 10 ppm) terdapat dalam syngas menjadi CH4. Tujuan dari pengkonversian kandungan CO dan CO2 ini karena CO dan CO2 dapat merusak katalis yang terdapat pada amonia converter. Selain merusak katalis, CO dan CO2 juga dapat membentuk deposit berupa carbamate yang menyebabkan kebuntuan pada kompresor. Reaksi
yang terjadi pada methanator terjadi pada suhu 300-330°C dengan bantuan katalis nikel alumina. Reaksi di methanator adalah:
CO (g) + 3H2 (g) CH4 (g) + H2O (l) CO2 (g) + 4H2 (g) CH4 (g) + 2H2O (l)
Kedua reaksi diatas bersifat eksotermis maka suhu reaktor dapat meningkat hingga lebih dari 300°C. Satu mol CO menaikkan suhu sekitar 72°C dan satu mol CO2 menaikkan suhu sekitar 60°C. Untuk menjaga reaktor dari resiko kenaikan suhu yang terlalu berlebih, reaktor dipasang alarm yang secara otomatis terhubung dengan control valve yang dapat menghentikan aliran gas menuju methanator.
2.10.6. Ammonia Synthesis
Sintesis amonia dilakukan di dalam amonia converter dengan bantuan katalis Fe. Sistem dibuat dalam bentuk loop karena konversi rendah untuk memanfaatkan H2 dan N2 yang belum bereaksi. Gas inert juga akan terakumulasi sehingga perlu adanya purging. Gas purging ini kemudian di recovery di unit purge gas recovery unit (PGRU) untuk memisahkan NH3, H2 dan CH4. Senyawa NH3 di ambil sebagai produk, H2 dikembalikan lagi ke Syn-Loop dan CH4 sebagai tail gas yang dimanfaatkan untuk fuel. Reaksi pada amonia converter adalah:
N2 (g) + 3H2 (g) ↔ 2NH3 (l)
Sebelum masuk ke amonia converter, gas sintesis harus dinaikkan terlebih dahulu tekanannya (25–27 kg/cm2) menggunakan kompresor. Gas dikompresi melalui dua tingkat. Pada tingkat pertama, gas dinaikkan tekanannya sampai 64,5 kg/cm2, kemudian gas didinginkan dalam tiga tingkatan pendinginan. Gas yang kaya akan H2 dari PGRU ditambahkan ke unit 116-C dan129-C. Gas sintesis yang sudah mengandung sedikit uap air dari first stage separator 105-F masuk ke dalam kompressor tingkat kedua dari 103-J. Pada kompresi tingkat kedua ini tekanan gas sintesis menjadi 141 kg/cm2. Pada kompressor tingkat kedua gas recycle yang mengandung amonia dari syn loop dicampur dengan gas sintesis. Tempat masuknya gas recycle ini pada sudu kompresor.
Campuran gas sintesis dan gas recycle didinginkan sebelum diumpankan ke amonia converter. Amonia converter berisi katalis promoted iron sebanyak 75 m3 (204.000 kg). Katalis ditempatkan di dalam internal basket yang di desain terdiri
dari empat catalyst bed yang terpisah di dalam reaktor. Bed yang paling atas adalah bed yang mempunyai volume yang paling kecil. Semakin ke bawah volume katalis bed semakin besar dengan tujuan untuk membatasi panas reaksi yang eksotermis pada bed yang paling atas. Untuk mengontrol suhu amonia converter, dialirkan gas quench dan converter intercooler.
2.10.7. Ammonia Refrigeration
Amonia dibutuhkan dalam beberapa kondisi, yaitu Hot Amonia (300°C) yang dikirimkan ke unit urea, dan Cold Amonia (Temperatur -330°C) yang disimpan dalam NH3 storage. Adanya gas terlarut di amonia dilepaskan dalam tiga tahap flash sehingga Amonia lebih murni. Cold Amonia dimanfaatkan sebagai pendingin di chiller syn-loop. Pada pabrik amoniak di P-IB ada 3 tingkat Flash Drum. Liquid Amonia yang diterima dari 307-F area syn-loop masuk ke flash drum tingkat 1(312-F), dari sini amonia sudah bisa diambil sebagai produk yang cold.
Vapor yang ada beserta gas terlarut ditarik oleh compressor 305-J, begitu juga untuk tingkat yang lain. Discharge compressor akan didinginkan oleh 327-C sehingga Amonia akan menjadi liquid dan ditampung di 309-F.
Gas akan terflash di 109-F sebagian amonia yang terikut didinginkan lagi di 326-C dan dikembalikan ke 109-F, sedangkan vapor dikirim ke PGRU bersama LP purge gas. Dari 309-F diambil produk Hot Ammonia untuk dikirim ke pabrik Urea, sebagian lagi di let down ke flash drum tingkat 3 sehingga temperaturnya turun dan gas inert terlepas, begitu terus sampai tingkat satu. Refrigerant Ammonia cair mengalir dari kompartemen bertekanan lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah.
2.10.8. Purge Gas Recovery Unit (PGRU)
Purge Gas Recovery Unit (PGRU) merupakan unit yang berfungsi mengolah purge gas dari pabrik amonia, dimana purge gas tersebut masih mengandung NH3 dan H2 yang dapat dimanfaatkan kembali untuk meningkatkan produksi dan efisiensi pabrik. Proses PGRU di PUSRI-IB terdiri dari Amonia Recovery Unit (ARU) dan Hydrogen Recovery Unit (HRU). Pada unit PGRU ini, purge gas yang memiliki komposisi design H2 (61,1%) mol, N2 (20,2%) mol, Ar (3,79%) mol, CH4 (12,78%) mol dan NH3 (2,13) % mol.